【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオプロジェクタやデータプロジェクタ等のプロジェクタあるいはそのようなプロジェクタに使用する投射型表示装置に関するものである。更に詳しくは、その光学系の配置や面形状に特徴を持つ投射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像情報をスクリーン等に投射する投射型表示装置の画像表示素子として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：米国テキサス・インスツルメンツ社）と反射型液晶素子が一般的に知られている。
【０００３】
ＤＭＤは、個々の微小ミラーの傾きを制御できる２次元ミラーアレイからなる反射型光変調素子であり、その傾きはＯＮ状態とＯＦＦ状態の２種類の状態をとることができる。ＤＭＤに照明光をあてた場合、ＯＮ状態の微小ミラーでは投射レンズに向けて照明光は反射され（以下ＯＮ光と呼ぶ）、ＯＦＦ状態の微小ミラーでは投射レンズ外に反射される（以下ＯＦＦ光と呼ぶ）。従って、ＯＮ光のみが、投射レンズを透過しスクリーン等に投射される。微小ミラーの一つが投射画像の最小構成要素（画素）に対応しており、ＯＮ状態の微小ミラーに対応する画素は白く、ＯＦＦ状態の微小ミラーに対応する画素は黒く投射される。ＯＮ状態の時間を変化させることで、階調を持たせることができる。すなわち、各微小ミラーのＯＮ状態の時間を制御することで、画像表示を行う。ＤＭＤが角度変調を行うのに対し、反射型液晶素子は、素子の１画素毎に偏光状態を変化させることで画像情報を表示する。
【０００４】
このＤＭＤを使用した投射型表示装置が、特開２００２−１４２９９号公報に開示されている。特開２００２−１４２９９号公報に開示された投射型表示装置では、ロッドインテグレータ（柱状光学素子）が使用されており、これにより照明光の強度分布の不均一性が改善されている。しかしながら、その光学配置については格別言及されておらず、開示された通りの構成を採用すれば光路方向にきわめて大型の装置とならざるを得ない。
【０００５】
一方、特許第３０９４３９３号公報には、入射光を発生する光源と、ＤＭＤと、入射光を集中する第１のレンズセットと、第１のレンズセットを通りＤＭＤ上に光源からの入射光線を反射させる反射鏡と、光源と反射鏡の間にあり光路を短縮するための第２のレンズセットからなる投射型表示装置が開示されている。光源からの入射光を反射鏡で折り返すことにより、光路方向に関して小型化が達成できている。しかしながら、本構成では光源を集光したスポット像と同じ強度分布でＤＭＤが照明されるため、中心部だけが明るく周辺部の暗い投射画像しか得られない。
【０００６】
そこで、特許第３０９４３９３号公報に開示された投射型画像表示装置の構成にロッドインテグレータを使用することで、小型でかつ照明光の強度分布が改善された投射型表示装置が得られると考えられる。
【０００７】
図６は、特許第３０９４３９３号公報に開示された光学配置において、照明光の強度分布を改善するためにロッドインテグレータを使用することを想定して創案された投射型表示装置の一例である。なお、図６は投射型表示装置を上から見た図であり、紙面手前側が上、紙面奥側が下、図の上方が前方、すなわち投射方向である。以下図面を用いて簡単に説明する。
【０００８】
図６の投射型表示装置は、画像を表示するＤＭＤ８と、ＤＭＤ８の前方に配置され表示された画像を投射する投射レンズ９を備えている。
【０００９】
投射レンズ９の側方には、白色光を放射する超高圧水銀ランプ（光源）１と、光源１からの光を投射レンズ９下方に向かって反射する楕円鏡２が配置されている。光源１は楕円鏡２の第１焦点に配置されており、楕円鏡２の光軸上にカラーホイール３、ロッドインテグレータ４、リレーレンズ５が順に配置されている。楕円鏡２の光軸は、投射レンズ９の光軸とはねじれの位置にあり、それぞれの光軸のベクトルは互いに直交している。
【００１０】
リレーレンズ５の光軸は、投射レンズ９の下を通り、折り返しミラー６によってＤＭＤ８の中心に向けて折り曲げられる。折り返しミラー６とＤＭＤ８の間にコンデンサレンズ７が配置されている。
【００１１】
光源１から放射された白色光は、楕円鏡２によってその第２焦点に集光される。集光位置近傍に配置されたカラーホイール３が回転することにより、その透過光が時間的に３色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に色分解される。カラーホイール３の直後に配置されたロッドインテグレータ４により、その射出面で均一な強度分布となった光線は、リレーレンズ５、折り返しミラー６およびコンデンサレンズ７を通り、ＤＭＤ８を照明する。ＤＭＤ８はカラーホイール３に同期して、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した画像を時系列に表示する。ＤＭＤ８で反射されたＯＮ光は、投射レンズ９により投射されてスクリーン等に画像を形成する。カラーホイールの回転速度（３色の切り替わり速度）は人間の認識時間に対して十分に速いので、残像効果により、投射画像はカラー画像として認識される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図６で示した投射型表示装置では、ロッドインテグレータ４からの射出光は、投射レンズ９の下側を通り、折り返しミラー６で反射され、投射レンズ９の入射位置直下のコンデンサレンズ７を透過して、ＤＭＤ８を照明している。折り返しミラー６を採用することで、光路方向に関して小型化されているとはいえ、この配置では投射レンズ９より下側に、光源１からコンデンサレンズ７に至る照明光学系が配置されているため、高さ方向に非常に大きな投射型表示装置となってしまう。
【００１３】
また、明るい投射画像を得るためには、より多くの光束を利用する必要があり、そのためには投射レンズ９の開口径を大きくし、かつ照明光束も大きくする必要がある。しかしながら、この配置において、投射レンズ９の開口径と照明光束を拡大すると、投射レンズ９と、リレーレンズ５射出後の光束との干渉をまねく。光路の干渉を避けるためには、ＤＭＤ８に対して、投射レンズ９をより上方にシフトし、コンデンサレンズ７および折り返しミラー６をより下方にシフトする必要がある。しかしこうすることで、投射型表示装置の高さ方向の厚みがますます大きくなってしまう。また、ＤＭＤ８に対して投射レンズ９がより上方に配置されるため、投射型表示装置よりもかなり上方に画像が投射され、実用上非常に使い勝手の悪い装置となってしまう。
【００１４】
さらに、ＤＭＤ８の照明光は斜め下から入射するため、その照明光はＤＭＤ８と相似形ではなく、図７のように大きく歪んだ形になる。その結果、ロッドインテグレータ４の採用により強度分布が改善されたとはいえ、図８に示すように、照明光の強度分布は対角方向に傾斜を持ち、投射画像の品質を低下させていた。
【００１５】
本発明は、このような問題点に鑑み、明るい投射画像を得つつ、装置の薄型化が可能な投射型表示装置およびこの投射型表示装置を用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
【００１６】
また、強度分布にむらのない高品質な投射画像を達成することができる投射型表示装置およびこの投射型表示装置を用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された本発明では、光源と、前記光源からの光線を捕捉し集光する光学部品と、集光した光線が入射し繰り返し反射をすることで射出面の強度分布を均一にするロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータを射出した光線が透過する少なくとも一枚のレンズからなるリレーレンズと、前記リレーレンズを透過した光線の折り返しを行う第１ミラーと、前記第１ミラーで折り返された光線をさらに折り返し集光する第２ミラーと、画像信号に基づいて画像を表示し前記第２ミラーで折り返された光線を画像信号に基づいて反射する反射型画像表示素子と、前記反射型画像表示素子で反射された光線を投射する投射レンズからなる投射型表示装置であって、前記ロッドインテグレータと前記リレーレンズは、その光軸が前記投射レンズの光軸と略平行でありかつ前記反射型画像表示素子より前記投射レンズ側に配置されており、前記第１ミラーは前記リレーレンズの光軸上に配置され、前記第２ミラーは凹面形状を持ちかつ投射レンズの直下に配置され、前記光源と前記光学部品と前記ロッドインテグレータと前記リレーレンズと前記第１ミラーとが高さ方向に関して前記第２ミラー下端と前記投射レンズ上端との間に略収まるよう配置されている。
【００１８】
この構成によれば、光源から第１ミラーにいたるまでのすべての光学部品が、高さ方向に関して、投写レンズと第２ミラーの間に略収まるよう配置されているため、投射型表示装置の薄型化が可能となる。
さらに、請求項２に記載された本発明においては、前記第２ミラーが回転非対称な形状を持っており、請求項３記載の本発明では、前記第１ミラーが回転非対称な形状を持っている。
【００１９】
これらの構成によれば、反射型表示素子の照明光の強度分布が均一であり、また、投射レンズに効率良く光を導くことが出来るため、明るい投射画像が得られる。
【００２０】
請求項４記載の本発明においては、前記反射型画像表示素子は、微小ミラーが２次元的に配列されており、前記微小ミラーの個々の傾き状態を変化させることで反射光の角度を変え画像情報を表示する反射型画像表示素子である。
【００２１】
請求項５記載の本発明は、上述の構成を備えた投射型表示装置を有するプロジェクタであることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、上記図６で示した従来例や以下に示す実施形態の相互において、同一の部材や相当する部材には、同一の符号を付す。図１は本発明の第１の実施形態を上から見た図であり、紙面手前側が上、紙面奥側が下であり、図の上方が前面、すなわち投射方向である。
【００２３】
図１の投射型表示装置は、画像を表示するＤＭＤ８と、ＤＭＤ８の前方に配置され表示された画像を投射する投射レンズ９を備えている。
【００２４】
楕円鏡２は、投射レンズ９前端部の側方にその開口部を投射レンズ９側に向けて配置されている。楕円鏡２の開口部前面には折り返しミラー６が配置されており、楕円鏡２の光軸を投射レンズ９の光軸と略平行でかつＤＭＤ８側に折り曲げる。折り曲げられた光軸の方向には、順にロッドインテグレータ４、カラーホイール３、リレーレンズ５、第１ミラー１０が配置されている。ロッドインテグレータ４およびリレーレンズ５の光軸は投射レンズ９の光軸と略平行である。投射レンズ９の入射位置直下には第２ミラー１１が配置されており、第１ミラーは光軸を第２ミラー１１に向けて折り曲げる。第２ミラー１１は再び光軸をＤＭＤ８に向けて折り曲げる。以下、各部品の機能を中心にして説明を行う。
【００２５】
超高圧水銀ランプ（光源）１が、第１焦点７．２ｍｍ、第２焦点６５ｍｍをもつ楕円鏡２の第１焦点近傍に配置されている。光源１から放射された白色光は楕円鏡２の第２焦点近傍に集光し、２次光源像を形成する。本実施形態では、光源１からの光を捕捉し集光するための光学部品として楕円鏡２を用いたが、楕円鏡２の代わりに放物面と凸レンズを用いて捕捉、集光してもよい。楕円鏡２の開口直前には反射ミラー６が配置されており、光路をほぼ直角に折り曲げる。本実施形態では光路の折り曲げに反射ミラーを用いたが、直角プリズムを用いても構わない。
【００２６】
ロッドインテグレータ４は、入射面が光源１からの白色光の集光位置となるよう、配置されている。ロッドインテグレータ４は、端面がＤＭＤ８の画像表示エリアとほぼ相似形状をなしている、ガラス製の直方体である。ロッドインテグレータ４に入射した光は、全反射により内部で多重反射を繰り返し、射出端面では均一な強度分布に変換される。
【００２７】
ロッドインテグレータ４の射出端面近傍には、カラーホイール３が配置されている。カラーホイール３は、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光のみを通す３種類のカラーフィルターが円周方向に順番に配置された、回転可能な円盤状色フィルターである。カラーホイール３が回転することで、白色光を時間的に３色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に色分解する。
【００２８】
均一な強度分布となったロッドインテグレータ４の射出端面の像を、リレーレンズ５、第１ミラー１０、および第２ミラー１１によりＤＭＤ８上に結像し、均一な強度分布でＤＭＤ８を照明する。リレーレンズ５はレンズ５ａとレンズ５ｂで構成されている。レンズ５ａは回転対称な非球面レンズである。本発明では２枚のレンズを用いたが、少なくとも１枚のレンズがあればその機能を果たすことができる。リレーレンズ５は、ロッドインテグレータ４入射面近傍に形成された２次光源像を、第１ミラー１０近傍に３次光源像として再結像する。
【００２９】
リレーレンズ５の光軸上には第１ミラー１０が配置されており照明光束を投射レンズ９の下側に折り曲げている。投射レンズ９の入射位置直下には第２ミラー１１が配置され、第１ミラー１０で反射された照明光をＤＭＤ８上に反射、集光する。第２ミラー１１はＤＭＤ８に光を反射、集光するのみならず、第１ミラー１０近傍にある３次光源像を投射レンズ９の瞳に結像する役割もあわせ持つ。こうすることで、ＤＭＤ８で反射されたＯＮ光が投射レンズ９を効率良く透過し、明るい投射画像が実現できる。
【００３０】
第１ミラー、第２ミラーが回転対称な面の場合には、曲率が存在するため、斜め入射による非点収差が発生する。またＤＭＤ８の照明光は斜め下から入射するため、従来例の図７で示す場合と同様の傾向の照明エリアの歪みが発生し、対角方向に大きな強度分布のムラが生じる。これらの問題を解決するため、第１ミラー１０と第２ミラー１１には回転非対称な形状を持たせている。照明エリアの歪みは、第２ミラー１１の形状を回転非対称な形状にすることで軽減されるが、第２ミラー１１のみならず、第１ミラー１０も回転非対称な形状にすることでより一層の効果を生じる。すなわち、第１ミラー１０の形状を回転非対称な形状にすることで、３次光源像と投射レンズ９の瞳との結像関係をさらに良好に保つことができ、明るく均一な強度分布を持つ、高品質な投射画像が得られる。
【００３１】
以下に、本実施形態のさらに具体的な構成について説明する。本実施形態で用いたＤＭＤ８は表示エリアが１２．３ｍｍ（左右方向）×９．２ｍｍ（上下方向）であり、微小ミラーの傾き角は±１２°である。ロッドインテグレータ４は端面が５．５ｍｍ（略左右方向）×４．３ｍｍ（略上下方向）、長さ４５ｍｍであり、材料はＢＫ７（屈折率ｎｄ＝１．５１６８０、分散νｄ＝６４．２）である。
【００３２】
各面のデータは右手系の直交座標系ＸＹＺに基づいて示されており、ロッドインテグレータ４の射出面中心を原点とし、光軸方向（光の進行方向）にＸ軸、ロッドインテグレータ短辺下向きにＹ軸、をとっている。また、各部材のそれぞれの面にローカルな直交座標系ｘｙｚを考える。各面の面頂点を原点とし、面頂点における法線をｘ軸とする。その他の軸はＸＹＺ座標系に準じる。各面の法線ベクトル（ｘ軸ベクトル）をＶＸ、ｘｙｚ座標系のｙ軸ベクトルをＶＹと表示する。曲率半径の符号は曲率中心がローカル座標系ｘ軸の正方向にあるとき正としている。
【００３３】
投射レンズ９の瞳位置は、ＤＭＤ８の中心を基準とすると、光軸方向に４４ｍｍ、上方に７．０ｍｍの位置にある。瞳径はφ１８ｍｍ（Ｆｎｏ．２．５）である。楕円鏡２の集光角はＦｎｏ．１であり、リレーレンズの結像倍率は２．５倍である。よって、投射レンズも照明系もＦｎｏ．２．５の明るい光学系となっている。
【００３４】
表１、表２に光学系のコンストラクションデータを示す。
【表１】
【表２】
（＊１）は回転非球面で構成された面であり、非球面の形状を表す式を以下に定義する。
Ｘ＝（ｈ２／ＣＲ）／（１＋√（１−ε（ｈ／ＣＲ） ２））＋ΣＣｎ ｈｎ （１）
ｈ２＝Ｙ２＋Ｚ２ （２）
ただし、Ｘ：光軸方向の基準面からの変位量（面頂点基準）
ｈ：光軸と垂直な方向の高さ
ＣＲ：面頂点での曲率半径
ε：２次曲面パラメータ
Ｃｎ：ｎ次の非球面係数（ｎ＝４，６，８）
（＊１）面の非球面係数は、
ε＝１．０、Ｃ４＝１．３８２４０Ｅ−４、Ｃ６＝−１．８８７０３Ｅ−６、Ｃ８＝１．３２９４７Ｅ−８
である。
【００３５】
（＊２）は回転非対称な非球面で構成された面であり、面形状を表す式を以下に定義する。
Ｘ＝（ｈ２／ＣＲ）／（１＋√（１−ε（ｈ／ＣＲ） ２））＋ΣＣ（ｍ，ｎ）ＹｍＺｎ （３）
ｈ２＝Ｙ２＋Ｚ２ （４）
ただし、Ｘ：光軸方向の基準面からの変位量（面頂点基準）
ｈ：光軸と垂直な方向の高さ
ＣＲ：面頂点での曲率半径
ε：２次曲面パラメータ
Ｃ（ｍ，ｎ）：回転非対称な非球面係数（ｍ，ｎ＝０，１，２，．．．，６ ，ｍ＋ｎ≦６）
第１ミラー１０の２次曲面パラメータε＝１．０である。第１ミラー１０の回転非対称な非球面係数を表３に示す。
【表３】
第２ミラー１１の２次曲面パラメータε＝１．０である。第２ミラー１１の回転非対称な非球面係数を表４に示す。
【表４】
第１ミラー１０、および第２ミラー１１の回転非対称成分すなわち（３）式の第２項の形状を、それぞれ図２、図３に示す。また、本実施形態における、ＤＭＤ８上の照明エリア形状を図４に、照明光の強度分布を図５に示す。図２および図３は光の入射方向から見た形状を等高線表示している。
【００３６】
第２ミラー１１の面形状は、非常に強い回転非対称性を持ち、ＤＭＤ８の対角方向に対応した方向にアナモルフィックな形状をした自由曲面である。第２ミラー１１の左下部の傾斜は非常に強くなっているが、この部分は図７の歪んだ照明エリアの右下に対応する部分であり、図４に示すように、主にこの部分により照明エリアの歪みが補正されている。照明エリアの歪みを補正することに伴って、図５に示すように、強度分布が大幅に改善されている。
【００３７】
第１ミラー１０の面形状も、回転非対称成分を持ち、ＤＭＤ８の対角方向に対応した方向にアナモルフィックな形状をした自由曲面である、第２ミラー１１の面形状との相乗効果により、均一で効率の良い照明系を実現している。第２ミラーの形状は直交する２方向に対して曲率半径が異なるトーリック面でも良く、その場合には第１ミラーの非対称成分を強めることで照明エリアの歪みを低減できるが、望ましくは本実施形態で示したようなアナモルフィックな形状の自由曲面を用いることで、より高品質で効率の良い投射型表示装置が実現できる。
【００３８】
第１ミラー１０、第２ミラー１１の面形状は、溶けたガラスを型に流し込む、あるいはガラス基板を型に押し当てながら加熱するような、ガラス成形法で安価に大量に生産可能である。また、耐熱性のある樹脂材料を用いた樹脂成形方法によっても安価に大量に生産できる。これらの成形部品に、銀、アルミあるいは誘電体の反射膜をつけることでミラーとして生産できる。
【００３９】
本実施形態で、高さ方向に最も低い位置は第２ミラー１１下端であり、最も高い位置は投射レンズ９上端となっている。ロッドインテグレータ４および楕円鏡２の光軸の高さは、投射レンズ９の光軸の高さとほぼ一致している。装置全体の高さ方向の大きさ（厚さ）は主に投射レンズ９の外径、第２ミラーの下端位置、そして楕円鏡２の位置（高さ方向）に依存する。楕円鏡２が、投射レンズ９上端と第２ミラー１１下端との間に収まっているため、投射型表示装置の薄型化が達成できている。
【００４０】
本発明の第２の実施形態を図９に示す。図９は本発明の第２の実施形態を上から見た図であり、紙面手前側が上、紙面奥側が下になり、図の上方が前面、すなわち投射方向である。
【００４１】
図９の投射型表示装置は、画像を表示するＤＭＤ８と、ＤＭＤ８の前方に配置され表示された画像を投射する投射レンズ９を備えている。
【００４２】
楕円鏡２は、投射レンズ９前端部の側方に、その光軸を投射レンズ９と略平行にし、その開口部をＤＭＤ８側に向けて配置されている。光軸方向には順に、カラーホイール３、ロッドインテグレータ１２、リレーレンズ５、第１ミラー１０が配置されている。ロッドインテグレータ１２およびリレーレンズ５の光軸は投射レンズ９の光軸と略平行である。投射レンズ９の入射位置直下には第２ミラー１１が配置されており、第１ミラーは光軸を第２ミラー１１に向けて折り曲げる。第２ミラー１１は再び光軸をＤＭＤ８に向けて折り曲げる。以下、各部品の機能を中心にして説明を行う。
【００４３】
超高圧水銀ランプ（光源）１が、第１焦点７．２ｍｍ、第２焦点６５ｍｍをもつ楕円鏡２の第１焦点近傍に配置されている。光源１から放射された白色光は楕円鏡２の第２焦点近傍に集光し、２次光源像を形成している。本実施形態では、光源１からの光を捕捉し集光するための光学部品として、楕円鏡２を用いたが、楕円鏡２の代わりに放物面と凸レンズを用いて捕捉、集光してもよい。
【００４４】
集光位置近傍にはカラーホイール３が配置されており、白色光を時間的に３色に色分解する。カラーホイール３の直後にはロッドインテグレータ１２が配置されている。
【００４５】
ロッドインテグレータ１２は、４枚の反射ミラーが、反射面を内側に持ち、隣り合うもの同士が直角をなすよう、貼りあわされている。その入射端面及び射出端面は同形状で、ＤＭＤ８の画像表示エリアと相似形状をなしている。入射光は内壁面で繰り返し反射され、射出面では空間的に均一な強度分布となり射出する。ロッドインテグレータ１２においては、第１の実施形態で用いたロッドインテグレータ４とは異なり、光線は空気中で反射するため、同一反射回数で比較すると長さが１／１．５１６８０（ＢＫ７の屈折率）となる。しかし、反射形態が全反射でなく１面あたりの反射率が１００％でないため、繰り返し反射により効率が低下するというデメリットを持つ。ロッドインテグレータとしては、それぞれのメリット、デメリットを勘案して使用すればよく第１の実施形態、および第２の実施形態においてはどちらのロッドインテグレータを使用しても良い。
【００４６】
ロッドインテグレータ１２を射出した光線は、リレーレンズ５、第１ミラー１０、および第２ミラー１１によりＤＭＤ８上に結像し、均一な強度分布でＤＭＤ８を照明する。リレーレンズ５はレンズ５ｃとレンズ５ｄで構成されている。レンズ５ｃは回転対称な非球面レンズである。本発明では２枚のレンズを用いたが、少なくとも１枚のレンズがあればその機能を果たすことができる。リレーレンズ５は、ロッドインテグレータ１２入射面近傍に形成された２次光源像を、第１ミラー１０近傍に３次光源像として再結像する。
【００４７】
リレーレンズ５の光軸上には第１ミラー１０が配置されており照明光束を投射レンズ９の下側に折り曲げている。投射レンズ９の入射位置直下には第２ミラー１１が配置され、第１ミラー１０で反射された照明光をＤＭＤ８上に反射、集光する。第２ミラー１１はＤＭＤ８に光を反射するのみならず、第１ミラー１０近傍にある３次光源像を投射レンズ９の瞳に結像させる役割をあわせ持つ。
【００４８】
第１ミラー、第２ミラーが回転対称な面の場合には、曲率が存在するため、斜め入射による非点収差が発生する。またＤＭＤ８の照明光は斜め下から入射するため、従来例の図７で示したのと同様の傾向の照明エリアの歪みが発生し、対角方向に大きな強度分布が生じる。これらの問題を解決するため、第１ミラー１０と第２ミラー１１には回転非対称な形状を持たせている。照明エリアの歪みは、第２ミラー１１の形状を回転非対称な形状にすることで軽減されるが、第２ミラー１１のみならず、第１ミラー１０も回転非対称な形状にすることでより一層の効果を生じる。すなわち、第１ミラー１０の形状を回転非対称な形状にすることで、３次光源像と投射レンズ９の瞳との結像関係をさらに良好に保つことができ、明るく均一な強度分布を持つ、高品質な投射画像が得られる。
【００４９】
ＤＭＤ８では、カラーホイール３と同期してＲ、Ｇ、Ｂ各色に対応した画像を時系列に表示している。ＤＭＤ８で角度変調されたＯＮ光は投射レンズ９を透過し、スクリーン等に各色の画像を形成する。カラーホイールの回転速度が十分に速いため投射画像はカラー画像として認識できる。
【００５０】
以下に、本実施形態の更に具体的な構成について説明する。本実施形態で用いたＤＭＤ８は表示エリアが１２．３ｍｍ（左右方向）×９．２ｍｍ（上下方向）であり、微小ミラーの傾き角は±１２°である。ロッドインテグレータ１２は端面（内部）が５．５ｍｍ（略左右方向）×４．３ｍｍ（略上下方向）、長さ３０ｍｍである。
【００５１】
各面のデータは右手系の直交座標系ＸＹＺに基づいて示されており、ロッドインテグレータ１２の射出面中心を原点とし、光軸方向（光の進行方向）にＸ軸、ロッドインテグレータ短辺下向きにＹ軸、をとっている。また、各部材のそれぞれの面にローカルな直交座標系ｘｙｚを考える。各面の面頂点を原点とし、面頂点における法線をｘ軸とする。その他の軸はＸＹＺ座標系に準じる。各面の法線ベクトル（ｘ軸ベクトル）をＶＸ、ｘｙｚ座標系のｙ軸ベクトルをＶＹと表示する。曲率半径の符号は曲率中心がローカル座標系ｘ軸の正方向にあるとき正としている。
【００５２】
投射レンズ９の瞳位置は、ＤＭＤ８の中心を基準とすると、光軸方向に４４ｍｍ、上方に７．０ｍｍの位置にある。瞳径はφ１８ｍｍ（Ｆｎｏ．２．５）である。
【００５３】
表５、表６に光学系のコンストラクションデータを示す。
【表５】
【表６】
（＊１）は（１）式、（２）式で定義される回転非球面であり、
ε＝１．０、Ｃ４＝１．５８２０７Ｅ−４、Ｃ６＝−１．１６８９８Ｅ−６、Ｃ８＝３．９０９７９Ｅ−９
である。
【００５４】
（＊２）は（３）式、（４）式で定義される回転非対称な非球面を表す。
第１ミラー１０の２次曲面パラメータε＝１．０である。第１ミラー１０の回転非対称な非球面係数を表７に示す。
【表７】
第２ミラー１１の２次曲面パラメータε＝１．０である。第２ミラー１１の回転非対称な非球面係数を表８に示す。
【表８】
第１ミラー１０および第２ミラー１１の回転非対称成分、すなわち（３）式の第２項目の形状をそれぞれ図１０、図１１に示す。図１０および図１１は光の入射方向から見た形状を等高線表示している。
【００５５】
第２ミラー１１の面形状は、非常に強い回転非対称性を持ち、ＤＭＤ８の対角方向に対応した方向にアナモルフィックな形状をした自由曲面である。第１の実施形態と比較して第１ミラー、第２ミラーともに斜め入射が強くなっており、その結果、非点収差の補正のため回転非対称性が強まっている。第２ミラー１１の左下部の傾斜は非常に強くなっているが、前述のとおり主にこの部分で照明エリアの歪みを補正している。第１ミラー１０においても回転非対称成分を持っており、第１ミラー１０はＤＭＤ８の対角方向に対応した方向にアナモルフィックな形状をした自由曲面である。第２ミラー１１の形状と相まって、強度むらのない効率の良い投射型表示装置を構成している。
【００５６】
本実施形態で、高さ方向に最も低い位置は第２ミラー１１下端であり、最も高い位置は投射レンズ９上端となっている。ロッドインテグレータ１２および楕円鏡２の光軸は、投射レンズ９の光軸より７．０６ｍｍ上方に位置しているが、高さ方向に大きな制約を与える楕円鏡２が、投射レンズ９上端と第２ミラー１１下端との間の高さに収まっているため、投射型表示装置の薄型化が達成できている。
【００５７】
なお、第１の実施形態および第２の実施形態において、反射型画像表示素子としてＤＭＤを用いたが、米国特許公報第５，４６９，３０２号あるいは第５，８１５，３０５号に開示されている角度変調型の画像表示素子ＡＭＡ（Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｍｉｒｒｏｒ Ａｒｒａｙ）を用いてもよい。また、反射型液晶素子や、特開２００２−６２４９３号公報に開示される干渉型変調（ＩＭＯＤ）素子、あるいは特開２００２−７２１０９号公報に開示されるエバネセント波を利用した素子等の反射型画像表示素子を用いてもよい。あるいは、特開２０００−２８４２号公報に開示される高速変形ミラーライトバルブを用いてもよい。
【００５８】
図１２は本発明の第３の実施形態であり、本発明の第１の実施形態で示した投射型表示装置１３を使用したプロジェクタの一例を示す図である。（ａ）は平面図（上面図）、（ｂ）は側面図である。（ａ）において、内部構成がわかりやすいように回路基板２０は省略している。
【００５９】
筐体１４の内部に投射型表示装置１３、電源１５、吸気ファン１６、排気ファン１７、ランプバラスト１８、回路基板２０が配置されている。光源１は楕円鏡２にセラミック接着剤で固定されており、楕円鏡２はランプケース１９に収納されている。ランプケース１９は、筐体１４の底面に開けられた穴より着脱可能であり、光源の寿命によりプロジェクタの明るさが低下した場合などに、簡単に交換できる。
【００６０】
吸気ファン１６は、外部から筐体１４内部に空気を吸い込み、電源１５およびＤＭＤ８を冷却する。排気ファン１７はランプケース１９に隣接して配置されており、光源により温まった空気を筐体１４の外部に排気する。排気方向は画像の投射側であり、排気風を画像観察者に向けないようになっている。
【００６１】
画像をスクリーン等に投射する場合、画像観察者は、据付型の大型プロジェクタを除き、プロジェクタをはさんでスクリーン等の反対側に位置することが多い。排気の方向が画像観察者の方向に位置している場合、熱くなった空気が観察者にあたり非常に不快となる。また、ファンの音も耳障りである。排気ファン１７の排気の方向を、観察者と反対の方向（投射画像側）にすることで、画像観察者を不快にすることは無い。
【００６２】
回路基板２０は、カラーホイール３やＤＭＤ８、ファン等の制御を行う制御部と、映像信号を受け取る信号入力部と、入力された映像信号を加工する映像処理部と、使用者がプロジェクタの状態を変更するためのインターフェイス部とからなる。
【００６３】
電源ＯＮとともに、吸気ファン１６、排気ファン１７、カラーホイール３が回転し、続いて光源が点灯する。回路基板２０の信号入力部で入力された映像信号は、映像処理部でＡ／Ｄ変換、スケーリング、γ補正、輪郭補正等のデジタル処理が行われ、ＤＭＤ８に表示するための画像信号に変換される。カラーホイール３は同期検出用のセンサ（不図示）を持ち、この同期信号に基づいてＤＭＤ８に画像信号が送られる。ＤＭＤ８は画像信号に基づいた画像を表示し、この画像が投射レンズ９により投射され、観察される。
【００６４】
ランプケース１９およびＤＭＤ８の近傍には温度センサ（不図示）が配置されており、異常な温度上昇を検知すると、光源１を消灯する。
【００６５】
電源ＯＦＦ時には、光源１を消灯し、所定の時間経過後あるいはランプケース近傍の温度センサの出力結果に基づき、吸気ファン１６、排気ファン１７、カラーホイール３を停止させる。電源ＯＮ／ＯＦＦ時の制御やカラーホイールと画像信号の同期等、一連の制御は、回路基板２０の制御部が行っている。
【００６６】
投射画像の色調やコントラストの変更、あるいは投射画像の上下／左右反転等のプロジェクタ内部の設定変更の操作は回路基板２０のインターフェイス部が受け持ち、その設定変更の情報を制御部が受け取り設定変更が行われる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ロッドインテグレータとリレーレンズとの光軸が投射レンズの光軸と略平行に配置され、第１ミラーがリレーレンズの光軸上に配置され、第２ミラーが凹面形状を持ちかつ投射レンズの直下に配置され、光源と、光源からの光を捕捉し集光する光学部品と、ロッドインテグレータと、リレーレンズと、第１ミラーとが、高さ方向に関し、第２ミラー下端と投射レンズ上端の間に略収まるよう配置されているため、投射型表示装置の薄型化が達成できる。また、第２ミラーおよび第１ミラーを回転非対称な形状とすることで、照明光の強度分布を一様にし、また投射レンズへ効率良く光線を導き、高品質で効率の良い投射画像が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の光学構成図（平面図）。
【図２】本発明の第１の実施形態における第１ミラーの回転非対称な非球面成分の形状を示す図。
【図３】本発明の第１の実施形態における第２ミラーの回転非対称な非球面成分の形状を示す図。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるＤＭＤ上の照明光の形状を示す図。
【図５】本発明の第１の実施形態におけるＤＭＤ上の照明光の強度分布を示す図。
【図６】投射型表示装置の一例を示す図。
【図７】図６の投射型表示装置におけるＤＭＤ上の照明光の形状を示す図。
【図８】図６の投射型表示装置におけるＤＭＤ上の照明光の強度分布を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態の光学構成図（平面図）。
【図１０】本発明の第２の実施形態における第１ミラーの回転非対称な非球面成分の形状を示す図。
【図１１】本発明の第２の実施形態における第２ミラーの回転非対称な非球面成分の形状を示す図。
【図１２】本発明の第３の実施形態を示す図。
【符号の説明】
１ 超高圧水銀ランプ（光源）
２ 楕円鏡
３ カラーホイール
４，１２ ロッドインテグレータ
５ リレーレンズ
６ 折り返しミラー
７ コンデンサレンズ
８ ＤＭＤ
９ 投射レンズ
１０ 第１ミラー
１１ 第２ミラー
１３ 投射型表示装置
１４ 筐体
１５ 電源
１６ 吸気ファン
１７ 排気ファン
１８ ランプバラスト
１９ ランプケース
２０ 回路基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a projector such as a video projector or a data projector, or a projection display device used for such a projector. More specifically, the present invention relates to a projection display device having features in the arrangement and surface shape of the optical system.
[0002]
[Prior art]
As an image display element of a projection display apparatus that projects image information on a screen or the like, a DMD (Digital Micromirror Device: Texas Instruments, Inc.) and a reflective liquid crystal element are generally known.
[0003]
The DMD is a reflection-type light modulation element composed of a two-dimensional mirror array capable of controlling the inclination of each micromirror, and the inclination can take two kinds of states, an ON state and an OFF state. When illumination light is applied to the DMD, the illumination light is reflected toward the projection lens by the micromirror in the ON state (hereinafter, referred to as ON light), and is reflected out of the projection lens by the micromirror in the OFF state (hereinafter, OFF light). ). Therefore, only the ON light passes through the projection lens and is projected on a screen or the like. One of the micromirrors corresponds to the minimum component (pixel) of the projected image, the pixel corresponding to the micromirror in the ON state is projected white, and the pixel corresponding to the micromirror in the OFF state is projected black. By changing the ON state time, gradation can be provided. That is, image display is performed by controlling the ON state time of each micromirror. While the DMD performs angle modulation, the reflective liquid crystal element displays image information by changing the polarization state for each pixel of the element.
[0004]
A projection display device using this DMD is disclosed in JP-A-2002-14299. In the projection display device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-14299, a rod integrator (columnar optical element) is used, thereby improving the non-uniformity of the intensity distribution of the illumination light. However, the optical arrangement is not particularly mentioned, and if the configuration as disclosed is adopted, the device must be a very large device in the optical path direction.
[0005]
On the other hand, Japanese Patent No. 3094393 discloses a light source for generating incident light, a DMD, a first lens set for concentrating the incident light, and a reflection of an incident light from the light source on the DMD through the first lens set. There is disclosed a projection type display device including a reflecting mirror to be made and a second lens set between the light source and the reflecting mirror for shortening the optical path. By turning incident light from the light source back on the reflecting mirror, miniaturization in the optical path direction can be achieved. However, in the present configuration, since the DMD is illuminated with the same intensity distribution as the spot image obtained by condensing the light source, only a projected image with a bright central portion and a dark peripheral portion can be obtained.
[0006]
Therefore, by using a rod integrator in the configuration of the projection-type image display device disclosed in Japanese Patent No. 3094393, it is considered that a small-size projection-type display device with improved illumination light intensity distribution can be obtained.
[0007]
FIG. 6 shows an example of a projection type display device designed on the assumption that a rod integrator is used to improve the intensity distribution of illumination light in the optical arrangement disclosed in Japanese Patent No. 3094393. FIG. 6 is a view of the projection display device as viewed from above. The front side of the drawing is up, the back side of the drawing is down, and the top of the drawing is the front, that is, the projection direction. This will be briefly described below with reference to the drawings.
[0008]
6 includes a DMD 8 that displays an image, and a projection lens 9 that is arranged in front of the DMD 8 and projects the displayed image.
[0009]
An extra-high pressure mercury lamp (light source) 1 that emits white light and an elliptical mirror 2 that reflects light from the light source 1 toward the lower side of the projection lens 9 are arranged beside the projection lens 9. The light source 1 is arranged at a first focal point of an elliptical mirror 2, and a color wheel 3, a rod integrator 4, and a relay lens 5 are sequentially arranged on the optical axis of the elliptical mirror 2. The optical axis of the elliptical mirror 2 is at a twist position with respect to the optical axis of the projection lens 9, and the vectors of the respective optical axes are orthogonal to each other.
[0010]
The optical axis of the relay lens 5 passes under the projection lens 9 and is bent toward the center of the DMD 8 by the return mirror 6. A condenser lens 7 is arranged between the folding mirror 6 and the DMD 8.
[0011]
The white light emitted from the light source 1 is collected by the elliptical mirror 2 at its second focal point. As the color wheel 3 arranged near the light condensing position rotates, the transmitted light is temporally separated into three colors (R, G, B). The light beam having a uniform intensity distribution on its exit surface by the rod integrator 4 disposed immediately after the color wheel 3 passes through the relay lens 5, the folding mirror 6, and the condenser lens 7, and illuminates the DMD 8. The DMD 8 displays images corresponding to the respective colors of R, G, and B in time series in synchronization with the color wheel 3. The ON light reflected by the DMD 8 is projected by the projection lens 9 to form an image on a screen or the like. Since the rotation speed of the color wheel (the switching speed of the three colors) is sufficiently fast with respect to the human recognition time, the projected image is recognized as a color image by the afterimage effect.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the projection type display device shown in FIG. 6, the light emitted from the rod integrator 4 passes through the lower side of the projection lens 9 and is reflected by the return mirror 6 and passes through the condenser lens 7 immediately below the incident position of the projection lens 9. Thus, the DMD 8 is illuminated. Although the folding mirror 6 is employed to reduce the size in the optical path direction, the illumination optical system from the light source 1 to the condenser lens 7 is disposed below the projection lens 9 in this arrangement. The projection type display device becomes very large in the height direction.
[0013]
Further, in order to obtain a bright projected image, it is necessary to use more light beams, and for that purpose, it is necessary to increase the aperture diameter of the projection lens 9 and increase the illumination light beam. However, in this arrangement, when the aperture diameter of the projection lens 9 and the illumination light beam are enlarged, interference between the projection lens 9 and the light beam emitted from the relay lens 5 is caused. In order to avoid interference in the optical path, it is necessary to shift the projection lens 9 upward and the condenser lens 7 and the reflecting mirror 6 downward relative to the DMD 8. However, this increases the thickness of the projection display device in the height direction. Further, since the projection lens 9 is disposed higher than the DMD 8, an image is projected considerably above the projection display device, and the device becomes extremely inconvenient in practical use.
[0014]
Further, since the illumination light of the DMD 8 is obliquely incident from below, the illumination light is not similar to the DMD 8 but has a greatly distorted shape as shown in FIG. As a result, although the intensity distribution was improved by employing the rod integrator 4, as shown in FIG. 8, the intensity distribution of the illumination light had a diagonal slope, and the quality of the projected image was degraded.
[0015]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a projection display device capable of obtaining a bright projection image and thinning the device, and a projector using the projection display device.
[0016]
It is another object of the present invention to provide a projection display device capable of achieving a high-quality projection image without unevenness in intensity distribution, and a projector using the projection display device.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention as set forth in claim 1, a light source, an optical component for capturing and condensing a light beam from the light source, and the condensed light beam being incident and repeatedly reflected. A rod integrator for making the intensity distribution of the exit surface uniform, a relay lens including at least one lens through which the light beam emitted from the rod integrator transmits, and a first mirror for turning back the light beam transmitted through the relay lens. A second mirror configured to further converge the light beam reflected by the first mirror, and a reflective image display for displaying an image based on an image signal and reflecting the light beam reflected by the second mirror based on an image signal And a projection lens for projecting a light beam reflected by the reflection type image display element, wherein the rod integrator and the lens The lens has an optical axis substantially parallel to the optical axis of the projection lens and is disposed closer to the projection lens than the reflective image display device, and the first mirror is disposed on the optical axis of the relay lens. The second mirror has a concave shape and is disposed directly below a projection lens, and the light source, the optical component, the rod integrator, the relay lens, and the first mirror are disposed at a lower end of the second mirror in a height direction. And an upper end of the projection lens.
[0018]
According to this configuration, all the optical components from the light source to the first mirror are arranged so as to be substantially accommodated between the projection lens and the second mirror in the height direction. Is possible.
Further, in the present invention described in claim 2, the second mirror has a rotationally asymmetric shape, and in the present invention described in claim 3, the first mirror has a rotationally asymmetric shape. .
[0019]
According to these configurations, since the intensity distribution of the illumination light of the reflective display element is uniform and the light can be efficiently guided to the projection lens, a bright projected image can be obtained.
[0020]
According to the present invention, in the reflection type image display device, micro mirrors are two-dimensionally arranged, and the angle of reflected light is changed by changing the tilt state of each of the micro mirrors. It is a reflection type image display element for displaying information.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a projector having a projection display device having the above-described configuration.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in the conventional example shown in FIG. 6 and the embodiment described below, the same members and corresponding members are denoted by the same reference numerals. FIG. 1 is a view of a first embodiment of the present invention as viewed from above, in which the near side of the drawing is the top, the far side of the drawing is the bottom, and the upper part of the drawing is the front, that is, the projection direction.
[0023]
The projection display device of FIG. 1 includes a DMD 8 that displays an image, and a projection lens 9 that is arranged in front of the DMD 8 and projects the displayed image.
[0024]
The elliptical mirror 2 is arranged on the side of the front end of the projection lens 9 with its opening facing the projection lens 9 side. A folding mirror 6 is arranged in front of the opening of the elliptical mirror 2, and folds the optical axis of the elliptical mirror 2 substantially parallel to the optical axis of the projection lens 9 and toward the DMD 8. In the direction of the bent optical axis, a rod integrator 4, a color wheel 3, a relay lens 5, and a first mirror 10 are arranged in this order. The optical axes of the rod integrator 4 and the relay lens 5 are substantially parallel to the optical axis of the projection lens 9. A second mirror 11 is disposed immediately below the incident position of the projection lens 9, and the first mirror bends the optical axis toward the second mirror 11. The second mirror 11 bends the optical axis toward the DMD 8 again. Hereinafter, description will be made focusing on the function of each component.
[0025]
An ultra-high pressure mercury lamp (light source) 1 is disposed near the first focal point of an elliptical mirror 2 having a first focal point of 7.2 mm and a second focal point of 65 mm. The white light emitted from the light source 1 is collected near the second focal point of the elliptical mirror 2 and forms a secondary light source image. In the present embodiment, the elliptical mirror 2 is used as an optical component for capturing and condensing the light from the light source 1. Good. A reflection mirror 6 is arranged immediately before the opening of the elliptical mirror 2 and bends the optical path at substantially right angles. In this embodiment, the reflection mirror is used for bending the optical path, but a right-angle prism may be used.
[0026]
The rod integrator 4 is arranged so that the incident surface is located at a position where the white light from the light source 1 is collected. The rod integrator 4 is a rectangular parallelepiped made of glass whose end surface is substantially similar to the image display area of the DMD 8. The light incident on the rod integrator 4 repeats multiple reflections internally by total reflection, and is converted into a uniform intensity distribution on the exit end face.
[0027]
The color wheel 3 is arranged near the exit end face of the rod integrator 4. The color wheel 3 is a rotatable disc-shaped color filter in which three types of color filters that respectively transmit only R (red), G (green), and B (blue) lights are sequentially arranged in the circumferential direction. . The rotation of the color wheel 3 temporally separates the white light into three colors (R, G, B).
[0028]
An image of the exit end face of the rod integrator 4 having a uniform intensity distribution is formed on the DMD 8 by the relay lens 5, the first mirror 10, and the second mirror 11, and the DMD 8 is illuminated with a uniform intensity distribution. The relay lens 5 includes a lens 5a and a lens 5b. The lens 5a is a rotationally symmetric aspheric lens. Although two lenses are used in the present invention, the function can be performed if at least one lens is provided. The relay lens 5 re-images the secondary light source image formed near the incident surface of the rod integrator 4 as a tertiary light source image near the first mirror 10.
[0029]
A first mirror 10 is arranged on the optical axis of the relay lens 5, and folds the illumination light beam to the lower side of the projection lens 9. A second mirror 11 is disposed directly below the incident position of the projection lens 9, and reflects and condenses the illumination light reflected by the first mirror 10 onto the DMD 8. The second mirror 11 not only reflects and condenses light on the DMD 8, but also has a role of forming a tertiary light source image near the first mirror 10 on the pupil of the projection lens 9. By doing so, the ON light reflected by the DMD 8 efficiently passes through the projection lens 9, and a bright projected image can be realized.
[0030]
When the first mirror and the second mirror have rotationally symmetric surfaces, astigmatism due to oblique incidence occurs due to the presence of curvature. In addition, since the illumination light of the DMD 8 is incident obliquely from below, distortion of the illumination area having the same tendency as that shown in FIG. 7 of the conventional example occurs, and large unevenness of the intensity distribution occurs in the diagonal direction. In order to solve these problems, the first mirror 10 and the second mirror 11 have rotationally asymmetric shapes. The distortion of the illumination area is reduced by making the shape of the second mirror 11 a rotationally asymmetric shape. However, not only the second mirror 11 but also the first mirror 10 is made to have a rotationally asymmetric shape. Produces an effect. That is, by forming the shape of the first mirror 10 into a rotationally asymmetric shape, the imaging relationship between the tertiary light source image and the pupil of the projection lens 9 can be further favorably maintained, and a bright and uniform intensity distribution is obtained. A high quality projected image can be obtained.
[0031]
Hereinafter, a more specific configuration of the present embodiment will be described. The DMD 8 used in the present embodiment has a display area of 12.3 mm (horizontal direction) × 9.2 mm (vertical direction), and the inclination angle of the micro mirror is ± 12 °. The rod integrator 4 has an end face of 5.5 mm (substantially right and left direction) × 4.3 mm (substantially vertical direction) and a length of 45 mm, and is made of BK7 (refractive index nd = 1.51680, dispersion νd = 64.2). is there.
[0032]
The data of each surface is shown based on the right-handed orthogonal coordinate system XYZ, with the center of the exit surface of the rod integrator 4 as the origin, the X axis in the optical axis direction (light traveling direction), and the downward direction of the rod integrator short side. Y axis. Also, consider a local rectangular coordinate system xyz on each surface of each member. The surface vertex of each surface is defined as the origin, and the normal at the surface vertex is defined as the x-axis. Other axes follow the XYZ coordinate system. The normal vector (x-axis vector) of each surface is denoted by VX, and the y-axis vector of the xyz coordinate system is denoted by VY. The sign of the radius of curvature is positive when the center of curvature is in the positive direction of the local coordinate system x-axis.
[0033]
The pupil position of the projection lens 9 is 44 mm in the optical axis direction and 7.0 mm upward with respect to the center of the DMD 8. The pupil diameter is 18 mm (Fno. 2.5). The converging angle of the elliptical mirror 2 is Fno. 1, and the imaging magnification of the relay lens is 2.5 times. Therefore, both the projection lens and the illumination system are Fno. 2.5 bright optical system.
[0034]
Tables 1 and 2 show the construction data of the optical system.
[Table 1]
[Table 2]
(* 1) is a surface constituted by a rotating aspherical surface, and an expression representing the shape of the aspherical surface is defined below.
X = (h 2 / CR) / (1 + √ (1-ε (h / CR) 2 )) + ΣCn h n (1)
h 2 = Y 2 + Z 2 (2)
X: displacement amount from the reference plane in the optical axis direction (based on the surface vertex)
h: Height in the direction perpendicular to the optical axis
CR: radius of curvature at the surface vertex
ε: quadratic surface parameter
Cn: nth order aspherical coefficient (n = 4, 6, 8)
(* 1) The aspheric coefficient of the surface is
ε = 1.0, C4 = 1.38240E-4, C6 = −1.88703E-6, C8 = 1.3947E-8.
It is.
[0035]
(* 2) is a surface constituted by a rotationally asymmetric aspherical surface, and an expression representing the surface shape is defined below.
X = (h 2 / CR) / (1 + √ (1-ε (h / CR) 2 )) + ΣC (m, n) Y m Z n (3)
h 2 = Y 2 + Z 2 (4)
X: displacement amount from the reference plane in the optical axis direction (based on the surface vertex)
h: Height in the direction perpendicular to the optical axis
CR: radius of curvature at the surface vertex
ε: quadratic surface parameter
C (m, n): rotationally asymmetric aspheric coefficient (m, n = 0, 1, 2,..., 6, m + n ≦ 6)
The secondary curved surface parameter ε of the first mirror 10 is 1.0. Table 3 shows the rotationally asymmetric aspheric coefficients of the first mirror 10.
[Table 3]
The secondary curved surface parameter ε of the second mirror 11 is 1.0. Table 4 shows the rotationally asymmetric aspheric coefficients of the second mirror 11.
[Table 4]
FIGS. 2 and 3 show the rotationally asymmetric components of the first mirror 10 and the second mirror 11, that is, the shape of the second term of the expression (3). FIG. 4 shows an illumination area shape on the DMD 8 and FIG. 5 shows an illumination light intensity distribution in the present embodiment. 2 and 3 show contours of the shape viewed from the light incident direction.
[0036]
The surface shape of the second mirror 11 is a free-form surface having extremely strong rotational asymmetry and anamorphic in a direction corresponding to the diagonal direction of the DMD 8. Although the inclination of the lower left portion of the second mirror 11 is very strong, this portion corresponds to the lower right portion of the distorted illumination area in FIG. 7, and as shown in FIG. The illumination area distortion has been corrected. With the correction of the distortion of the illumination area, the intensity distribution is greatly improved as shown in FIG.
[0037]
The surface shape of the first mirror 10 also has a rotationally asymmetric component, and is a free-form surface that is anamorphically shaped in a direction corresponding to the diagonal direction of the DMD 8. A uniform and efficient illumination system is realized. The shape of the second mirror may be a toric surface having a different radius of curvature in two orthogonal directions. In this case, the distortion of the illumination area can be reduced by increasing the asymmetric component of the first mirror. By using a free-form surface having an anamorphic shape as shown in (1), a higher quality and more efficient projection display device can be realized.
[0038]
The surface shapes of the first mirror 10 and the second mirror 11 can be mass-produced at low cost by a glass forming method such as pouring molten glass into a mold or heating while pressing a glass substrate against the mold. Also, mass production can be achieved at low cost by a resin molding method using a heat-resistant resin material. A mirror can be produced by attaching a reflective film of silver, aluminum or a dielectric to these molded parts.
[0039]
In the present embodiment, the lowest position in the height direction is the lower end of the second mirror 11, and the highest position is the upper end of the projection lens 9. The heights of the optical axes of the rod integrator 4 and the elliptical mirror 2 are substantially equal to the height of the optical axis of the projection lens 9. The size (thickness) of the entire apparatus in the height direction mainly depends on the outer diameter of the projection lens 9, the lower end position of the second mirror, and the position (height direction) of the elliptical mirror 2. Since the elliptical mirror 2 is located between the upper end of the projection lens 9 and the lower end of the second mirror 11, the projection display device can be made thinner.
[0040]
FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a view of the second embodiment of the present invention as viewed from above. The front side of the drawing is up, the back side of the drawing is down, and the upper part of the drawing is the front side, that is, the projection direction.
[0041]
The projection display device of FIG. 9 includes a DMD 8 that displays an image, and a projection lens 9 that is arranged in front of the DMD 8 and projects the displayed image.
[0042]
The elliptical mirror 2 is arranged on the side of the front end of the projection lens 9 with its optical axis substantially parallel to the projection lens 9 and its opening facing the DMD 8. A color wheel 3, a rod integrator 12, a relay lens 5, and a first mirror 10 are arranged in this order along the optical axis. The optical axes of the rod integrator 12 and the relay lens 5 are substantially parallel to the optical axis of the projection lens 9. A second mirror 11 is disposed immediately below the incident position of the projection lens 9, and the first mirror bends the optical axis toward the second mirror 11. The second mirror 11 bends the optical axis toward the DMD 8 again. Hereinafter, description will be made focusing on the function of each component.
[0043]
An ultra-high pressure mercury lamp (light source) 1 is disposed near the first focal point of an elliptical mirror 2 having a first focal point of 7.2 mm and a second focal point of 65 mm. The white light emitted from the light source 1 is collected near the second focal point of the elliptical mirror 2 to form a secondary light source image. In the present embodiment, the elliptical mirror 2 is used as an optical component for capturing and condensing light from the light source 1, but instead of using the elliptical mirror 2, a parabolic surface and a convex lens are used to capture and condense light. Is also good.
[0044]
A color wheel 3 is disposed near the light condensing position, and temporally separates white light into three colors. Immediately after the color wheel 3, a rod integrator 12 is arranged.
[0045]
The rod integrator 12 has four reflecting mirrors attached so that the reflecting surfaces are on the inner side, and adjacent ones form a right angle. The incident end face and the exit end face have the same shape, and have a shape similar to the image display area of the DMD 8. The incident light is repeatedly reflected on the inner wall surface, and exits with a spatially uniform intensity distribution on the exit surface. In the rod integrator 12, unlike the rod integrator 4 used in the first embodiment, since the light beam is reflected in the air, the length is 1 / 1.5680 (the refractive index of BK7) when compared at the same number of reflections. It becomes. However, since the reflection form is not total reflection and the reflectance per surface is not 100%, there is a demerit that efficiency is reduced due to repeated reflection. The rod integrator may be used in consideration of the respective merits and demerits, and any of the rod integrators may be used in the first embodiment and the second embodiment.
[0046]
The light beam emitted from the rod integrator 12 forms an image on the DMD 8 by the relay lens 5, the first mirror 10, and the second mirror 11, and illuminates the DMD 8 with a uniform intensity distribution. The relay lens 5 includes a lens 5c and a lens 5d. The lens 5c is a rotationally symmetric aspheric lens. Although two lenses are used in the present invention, the function can be performed if at least one lens is provided. The relay lens 5 re-images the secondary light source image formed near the incident surface of the rod integrator 12 as a tertiary light source image near the first mirror 10.
[0047]
A first mirror 10 is arranged on the optical axis of the relay lens 5, and folds the illumination light beam to the lower side of the projection lens 9. A second mirror 11 is disposed directly below the incident position of the projection lens 9, and reflects and condenses the illumination light reflected by the first mirror 10 onto the DMD 8. The second mirror 11 not only reflects light to the DMD 8 but also serves to form a tertiary light source image near the first mirror 10 on the pupil of the projection lens 9.
[0048]
When the first mirror and the second mirror have rotationally symmetric surfaces, astigmatism due to oblique incidence occurs due to the presence of curvature. Further, since the illumination light of the DMD 8 is obliquely incident from below, distortion of the illumination area having the same tendency as that shown in FIG. 7 of the conventional example occurs, and a large intensity distribution occurs in a diagonal direction. In order to solve these problems, the first mirror 10 and the second mirror 11 have rotationally asymmetric shapes. The distortion of the illumination area is reduced by making the shape of the second mirror 11 a rotationally asymmetric shape. However, not only the second mirror 11 but also the first mirror 10 is made to have a rotationally asymmetric shape. Produces an effect. That is, by forming the shape of the first mirror 10 into a rotationally asymmetric shape, the imaging relationship between the tertiary light source image and the pupil of the projection lens 9 can be further favorably maintained, and a bright and uniform intensity distribution is obtained. A high quality projected image can be obtained.
[0049]
The DMD 8 displays images corresponding to R, G, and B colors in time series in synchronization with the color wheel 3. The ON light angle-modulated by the DMD 8 passes through the projection lens 9 and forms an image of each color on a screen or the like. Since the rotation speed of the color wheel is sufficiently high, the projected image can be recognized as a color image.
[0050]
Hereinafter, a more specific configuration of the present embodiment will be described. The DMD 8 used in the present embodiment has a display area of 12.3 mm (horizontal direction) × 9.2 mm (vertical direction), and the inclination angle of the micro mirror is ± 12 °. The rod integrator 12 has an end face (inside) of 5.5 mm (substantially right and left direction) × 4.3 mm (substantially vertical direction) and a length of 30 mm.
[0051]
The data of each surface is shown based on the right-handed rectangular coordinate system XYZ, with the origin at the center of the exit surface of the rod integrator 12, the X axis in the optical axis direction (light traveling direction), and the downward direction of the short side of the rod integrator. Y axis. Also, consider a local rectangular coordinate system xyz on each surface of each member. The surface vertex of each surface is defined as the origin, and the normal at the surface vertex is defined as the x-axis. Other axes follow the XYZ coordinate system. The normal vector (x-axis vector) of each surface is denoted by VX, and the y-axis vector of the xyz coordinate system is denoted by VY. The sign of the radius of curvature is positive when the center of curvature is in the positive direction of the local coordinate system x-axis.
[0052]
The pupil position of the projection lens 9 is 44 mm in the optical axis direction and 7.0 mm upward with respect to the center of the DMD 8. The pupil diameter is 18 mm (Fno. 2.5).
[0053]
Tables 5 and 6 show the construction data of the optical system.
[Table 5]
[Table 6]
(* 1) is a rotating aspheric surface defined by the expressions (1) and (2),
ε = 1.0, C4 = 1.58207E-4, C6 = −1.16898E-6, C8 = 3.90979E-9
It is.
[0054]
(* 2) represents a rotationally asymmetric aspheric surface defined by the equations (3) and (4).
The secondary curved surface parameter ε of the first mirror 10 is 1.0. Table 7 shows the rotationally asymmetric aspheric coefficients of the first mirror 10.
[Table 7]
The secondary curved surface parameter ε of the second mirror 11 is 1.0. Table 8 shows the rotationally asymmetric aspheric coefficients of the second mirror 11.
[Table 8]
FIGS. 10 and 11 show the rotationally asymmetric components of the first mirror 10 and the second mirror 11, that is, the shapes of the second item of the expression (3). 10 and 11 show contours of the shape viewed from the light incident direction.
[0055]
The surface shape of the second mirror 11 is a free-form surface having extremely strong rotational asymmetry and anamorphic in a direction corresponding to the diagonal direction of the DMD 8. Compared with the first embodiment, the first mirror and the second mirror both have stronger oblique incidence, and as a result, the rotational asymmetry is increased for correction of astigmatism. Although the inclination of the lower left portion of the second mirror 11 is very strong, the distortion of the illumination area is mainly corrected at this portion as described above. The first mirror 10 also has a rotationally asymmetric component, and the first mirror 10 is a free-form surface having an anamorphic shape in a direction corresponding to the diagonal direction of the DMD 8. Combined with the shape of the second mirror 11, an efficient projection display device without unevenness in intensity is formed.
[0056]
In the present embodiment, the lowest position in the height direction is the lower end of the second mirror 11, and the highest position is the upper end of the projection lens 9. Although the optical axes of the rod integrator 12 and the elliptical mirror 2 are located 7.06 mm above the optical axis of the projection lens 9, the elliptical mirror 2, which greatly restricts in the height direction, is located between the upper end of the projection lens 9 and the second Since the projection display device is set at a height between the mirror 11 and the lower end, the projection display device can be made thinner.
[0057]
In the first embodiment and the second embodiment, the DMD is used as the reflection type image display device. However, the DMD is disclosed in U.S. Pat. No. 5,469,302 or 5,815,305. An angle-modulated image display element AMA (Actuated Mirror Array) may be used. Further, a reflection type liquid crystal element, a reflection type image such as an interference type modulation (IMOD) element disclosed in JP-A-2002-62493, or an element utilizing an evanescent wave disclosed in JP-A-2002-72109. A display element may be used. Alternatively, a high-speed deformable mirror light valve disclosed in JP-A-2000-2842 may be used.
[0058]
FIG. 12 shows a third embodiment of the present invention, and shows an example of a projector using the projection display device 13 shown in the first embodiment of the present invention. (A) is a plan view (top view), and (b) is a side view. 1A, the circuit board 20 is omitted so that the internal configuration can be easily understood.
[0059]
A projection display device 13, a power supply 15, an intake fan 16, an exhaust fan 17, a lamp ballast 18, and a circuit board 20 are arranged inside a housing 14. The light source 1 is fixed to an elliptical mirror 2 with a ceramic adhesive, and the elliptical mirror 2 is housed in a lamp case 19. The lamp case 19 is detachable from a hole formed in the bottom surface of the housing 14, and can be easily replaced when the brightness of the projector is reduced due to the life of the light source.
[0060]
The intake fan 16 draws air from the outside into the housing 14 to cool the power supply 15 and the DMD 8. The exhaust fan 17 is disposed adjacent to the lamp case 19 and exhausts air warmed by the light source to the outside of the housing 14. The exhaust direction is on the image projection side, so that the exhaust air is not directed to the image observer.
[0061]
When projecting an image on a screen or the like, the image observer is often located on the opposite side of the screen or the like across the projector, except for a large-sized projector of a stationary type. If the direction of the exhaust is located in the direction of the image observer, the heated air hits the observer and is very uncomfortable. Also, the sound of the fans is harsh. By setting the exhaust direction of the exhaust fan 17 to the direction opposite to the observer (on the side of the projected image), the image observer is not uncomfortable.
[0062]
The circuit board 20 includes a control unit that controls the color wheel 3, the DMD 8, a fan, and the like, a signal input unit that receives a video signal, a video processing unit that processes an input video signal, and a user that controls the state of the projector. And an interface section for changing.
[0063]
When the power is turned on, the intake fan 16, the exhaust fan 17, and the color wheel 3 rotate, and subsequently, the light source is turned on. The video signal input from the signal input unit of the circuit board 20 is subjected to digital processing such as A / D conversion, scaling, γ correction, and contour correction in the video processing unit, and is converted into an image signal to be displayed on the DMD 8. You. The color wheel 3 has a sensor (not shown) for detecting synchronization, and an image signal is sent to the DMD 8 based on the synchronization signal. The DMD 8 displays an image based on the image signal, and the image is projected by the projection lens 9 and observed.
[0064]
A temperature sensor (not shown) is arranged near the lamp case 19 and the DMD 8, and when an abnormal temperature rise is detected, the light source 1 is turned off.
[0065]
When the power is turned off, the light source 1 is turned off, and the intake fan 16, the exhaust fan 17, and the color wheel 3 are stopped after a predetermined time has elapsed or based on the output result of the temperature sensor near the lamp case. The control unit of the circuit board 20 performs a series of controls such as control at power ON / OFF and synchronization of the color wheel and the image signal.
[0066]
The interface section of the circuit board 20 handles operations such as changing the color tone and contrast of the projected image or reversing the projected image vertically / horizontally, and the control section receives information on the setting change and the setting change is performed. Is
[0067]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the optical axis of the rod integrator and the relay lens is disposed substantially parallel to the optical axis of the projection lens, the first mirror is disposed on the optical axis of the relay lens, A mirror has a concave shape and is disposed directly below the projection lens, and a light source, an optical component for capturing and condensing light from the light source, a rod integrator, a relay lens, and a first mirror are arranged in a height direction. The projection type display device can be made thinner because it is disposed so as to be substantially fitted between the lower end of the second mirror and the upper end of the projection lens. Further, by forming the second mirror and the first mirror to be rotationally asymmetrical shapes, the intensity distribution of the illumination light is made uniform, the light rays are efficiently guided to the projection lens, and a high quality and efficient projected image can be realized. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an optical configuration diagram (plan view) of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a shape of a rotationally asymmetric aspherical component of a first mirror according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a shape of a rotationally asymmetric aspherical component of a second mirror according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a shape of illumination light on a DMD according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an intensity distribution of illumination light on a DMD according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 illustrates an example of a projection display device.
FIG. 7 is a diagram showing a shape of illumination light on a DMD in the projection display device of FIG. 6;
FIG. 8 is a diagram showing an intensity distribution of illumination light on a DMD in the projection display device of FIG. 6;
FIG. 9 is an optical configuration diagram (plan view) of a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a shape of a rotationally asymmetric aspherical component of a first mirror according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a shape of a rotationally asymmetric aspherical component of a second mirror according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Ultra-high pressure mercury lamp (light source)
2 Elliptical mirror
3 color wheel
4,12 rod integrator
5 relay lens
6 Folding mirror
7 Condenser lens
8 DMD
9 Projection lens
10 First mirror
11 Second mirror
13 Projection display device
14 Housing
15 Power supply
16 Intake fan
17 Exhaust fan
18 Lamp Ballast
19 Lamp case
20 circuit board
